Применение моделирования режимов тепловой стерилизации для улучшения показателей качества консервной продукции

Тепловая стерилизация консервов, несмотря на давнюю историю, продолжает активно развиваться, а благодаря удобству и длительному сроку хранения останется востребованной и в будущем.

Процесс стерилизации консервов требует нахождения компромисса между полезным и вредным воздействием высоких температур на продукт. С одной стороны, термическая обработка инактивирует споры, микроорганизмы и ферменты, присутствующие в продуктах питания и оказывающие негативное воздействие на здоровье потребителя и сохранность продукции. В то же время снижается концентрация неустойчивых к высокой температуре нутриентов, таких как пищевые белки и витамины (ретинол, тиамин, фолиевая кислота, аскорбиновая кислота, кальциферол и другие) ( Durance , 1997; Aubourg , 2001). Поэтому для исследователей является важной задачей нахождение оптимальных температурновременных режимов тепловой стерилизации, снижающих энергозатраты и продолжительность процесса стерилизации ( Кайченов и др. , 2012). Такие режимы одновременно сочетают требуемую степень инактивации микроорганизмов (микробиологическую летальность) и увеличение определенных показателей качества продукта (в частности, повышение содержания тиамина).

2.    Моделирование режимов тепловой стерилизации

На сегодняшний день одним из рациональных способов разработки оптимальных температурновременных режимов тепловой стерилизации является численное моделирование тепловых процессов.

В своей работе Симпсон и др. за основу для оптимизации по содержанию тиамина использовали процесс тепловой стерилизации с постоянной температурой в автоклаве – 118 °С, минимальным необходимым стерилизующим эффектом – 8 усл. мин, продолжительностью стерилизации – 98 мин и содержанием тиамина в конечном продукте – 50 %. Затем с использованием режима с переменной температурой, базового алгоритма случайного поиска, трехкоординатной интерполяции и 1 000 шагов вычислений была решена задача оптимизации по увеличению до максимума содержания тиамина в конечном продукте. В результате продолжительность стерилизации сократилась на 7 мин и составила 91 мин, при этом содержание тиамина повысилось до 55 %. Оптимизированный процесс стерилизации изображен на рис. 1 ( Simpson et al. , 2008).

Рис. 1. Процесс стерилизации, оптимизированный Симпсоном по содержанию тиамина

Для решения задачи по оптимизации времени стерилизации Симпсон и др. использовали режим с постоянной температурой в автоклаве, отличающийся от предыдущего тем, что температура стерилизации была увеличена до 125 °С, содержание тиамина уменьшилось до 50 %, а продолжительность стерилизации сократилась до 71 мин. Далее с использованием аналогичных действий была решена задача оптимизации по максимальному уменьшению времени стерилизации. В результате вычислений продолжительность процесса стерилизации сократилась до 68 мин, остальные параметры остались неизменными. На рис. 2 изображен процесс, соответствующий вышеуказанным параметрам ( Simpson et al. , 2008).

Рис. 2. Процесс стерилизации, оптимизированный Симпсоном по времени стерилизации

Абакаров и др. в своих работах в качестве основы использовали аналогичные процессы тепловой стерилизации, но, в отличие от Симпсона, для оптимизации применялся метод адаптивного случайного поиска (более подробно метод изложен в работе ( Столянов и др. , 2014)). В первом случае (оптимизация по содержанию тиамина) стерилизующий эффект равен 8 усл. мин, содержание тиамина – 55 %, а продолжительность стерилизации сократилась на 9 мин и составила 89 мин (оптимизированный процесс показан на рис. 3). Результатом решения второй задачи оптимизации (по времени стерилизации) стали следующие параметры: продолжительность стерилизации с переменной температурой – 67 мин, содержание тиамина в конечном продукте – 50,3 % (на рис. 4 изображен соответствующий данным параметрам процесс стерилизации). При этом количество вычислений для решения двух задач оптимизации уменьшилось и составило 600 итераций ( Abakarov , 2011; Abakarov et al ., 2009).

Столянов А.В. и др. Применение моделирования режимов…

Рис. 3. Процесс стерилизации, оптимизированный Абакаровым по содержанию тиамина

Рис. 4. Процесс стерилизации, оптимизированный Абакаровым по времени стерилизации

Использование программного продукта "OPT-PROx" позволило решить задачу одновременной оптимизации как по содержанию тиамина, так и по времени стерилизации. В итоге продолжительность стерилизации сократилась до 62 мин при повышении содержания тиамина до 55 % (полученный процесс стерилизации показан на рис. 5) ( Abakarov , 2011).

10 о

10        20         30         40        50         60         70         80         90

Process Time (min)

Рис. 5. Процесс стерилизации, оптимизированный в программном продукте "OPT-PROx"

Все выше перечисленные исходные и оптимизированные параметры для сравнения сведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты оптимизации параметров исходных режимов

	Стерилизующий эффект, усл. мин	Время стерилизации, мин	Содержание тиамина, %	Количество итераций
Оптимизация по содержанию тиамина
Исходные значения параметров	8	98	53	–
Оптимизация (Симпсон)	8	91	55	1 000
Оптимизация (Абакаров)	8	89	55	600
Оптимизация по времени стерилизации
Исходные значения параметров	8	71	50	–
Оптимизация (Симпсон)	8	68	50	1 000
Оптимизация (Абакаров)	8	67	50,3	600
Оптимизация одновременно по содержанию тиамина и времени стерилизации
Оптимизация с использованием "OPT-PROx" (Абакаров)	8	62	55	20 000

Из табл. 1 видно, что использование Абакаровым метода адаптивного случайного поиска совместно с вариабельным режимом для многоцелевой оптимизации в программном продукте "OPT-PROx" дало значительный прирост в результатах по сравнению с оптимизацией по одному параметру. Так, время стерилизации уменьшилось с 62 мин до 67, а содержание тиамина увеличилось с 50,3 % до 55 %. Однако для выполнения процесса стерилизации по характеристикам, представленным на рис. 1-5, необходим специально разработанный регулятор, способный отработать данные профили температур. Это является одним из основных препятствий для реализации заданных режимов в реальном промышленном автоклаве.

Особое внимание уделяют многоцелевой оптимизации – одному из перспективных направлений развития пищевой промышленности не только за рубежом, но и в России.

Научно-исследовательской группой кафедры автоматики и вычислительной техники (АиВТ) Мурманского государственного технического университета (МГТУ) совместно с кафедрой технологий пищевых производств (ТПП) в 2011 г. был разработан модернизированный способ тепловой стерилизации консервов "Печень трески натуральная" в автоклаве АВК-30М, регулируемым параметром которого является фактический стерилизующий эффект. Используя программу Modern_Optim, было произведено моделирование традиционного (рис. 6, 8) и модернизированного (рис. 7, 9) способов для двух температурных режимов 115 °С и 120 °С соответственно. Оптимизация выполнялась методом покоординатного спуска по следующим параметрам: температура в стерилизационной камере ( Т стк ); продолжительность этапов собственно стерилизации при повышенной ( Т стк1 ) и обычной ( Т стк2 ) температурах соответственно. Требуемое значение фактического стерилизующего эффекта ( L ) было выбрано около 6,7 усл. мин. Сравнительные результаты моделирования представлены в табл. 2 ( Кайченов и др. , 2013).

Таблица 2. Сравнение традиционного и модернизированного способа

	Фактический стерилизующий эффект, усл. мин	Время стерилизации, мин	Потребляемая электроэнергия, кВт∙ч	Температура продукта (max), °С
При температу		ре стерилизации 115 °С
Традиционный способ	6,75	93,33	3,48	114,6
Модернизированный способ	6,77	83,3	2,49	114,9
При температу		ре стерилизации 120 °С
Традиционный способ	6,77	73	3,35	117,2
Модернизированный способ	6,78	85,7	2,73	114,6

Столянов А.В. и др. Применение моделирования режимов…

Рис. 6. Моделирование традиционного способа стерилизации при Т стк = 115 °C

Рис. 7. Моделирование модернизированного способа стерилизации при Т стк = 122,5-112,5 °C

Рис. 8. Моделирование традиционного способа стерилизации при Т стк = 120 °C

Рис. 9. Моделирование модернизированного способа стерилизации при Т стк = 120-112 °C

Проанализировав табл. 2, можно сказать, что использование модернизированного способа стерилизации дает значительный прирост в результатах по сравнению с традиционным способом лишь в случае стерилизации при температуре 115 °С. Так, продолжительность стерилизации уменьшилась с 93,33 мин до 83,3, потребляемая электроэнергия стала 2,49 кВт∙ч вместо 3,48 кВт∙ч. Однако следует отметить, что при моделировании (рис. 7) температура стерилизационной камеры превышает 120 °С. Это значит, что необходимо ввести ограничение на максимальную температуру Т стк.макс. = 120 °С. При этом ограничении результаты моделирования модернизированного способа стерилизации составили: время стерилизации – 85 мин, потребляемая электроэнергия – 2,79 кВт∙ч.

В ходе проведенных испытаний автоклава АВК-30М было экспериментально подтверждено, что модернизированный способ стерилизации снижает потребление электроэнергии на 20 % и сокращает продолжительность процесса стерилизации на 9 % без снижения качества готовой продукции ( Кайченов и др. , 2012).

Дальнейшее совершенствование данного способа с использованием вариабельного режима и оценки степени проварки костных тканей непосредственно в процессе стерилизации является приоритетным направлением исследований научно-исследовательской группы АиВТ МГТУ.

3.    Заключение

В результате проведенных исследований авторы пришли к выводу, что благодаря процессам моделирования и оптимизации с использованием вычислительной техники удается значительно сократить разработку новых режимов стерилизации продуктов и ускорить ввод в действие новых стерилизационных установок, повышающих качество конечной продукции, ее безопасность, и при этом обладающих большей энергоэффективностью.